用于数字模拟由涂层织物材料制成的安全气囊的结构行为的系统和方法
【专利摘要】本申请公开了一种用于数字模拟由涂层织物材料制成的安全气囊的结构行为的方法。专用的有限元被配置以包括膜单元和一对动态配置的从单元，所述从单元提供所述涂层织物材料的附加抗弯能力。在时间推进模拟的每个求解周期，从单元的节点位置依据对应的平均节点法向矢量、涂层织物材料的织物厚度和涂层厚度进行更新。特定节点的平均节点法向矢量是与该特定节点相连的那些膜单元的单元法向矢量的平均值。各节点位置被沿着平均法向矢量方向的膜单元的对应节点的两侧偏移一段距离。使用更新后的节点位置，获得从单元的应力和应变，之后转换为用于得到附加抗弯能力的内部节点力。
【专利说明】用于数字模拟由涂层织物材料制成的安全气囊的结构行为
的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明总的涉及计算机辅助工程分析，更具体地，涉及用于数字模拟由涂层织物材料制成的安全气囊的结构行为(例如，在汽车碰撞的过程中使安全气囊充气)的方法和系统。
【背景技术】
[0002]安全气囊安装在汽车中，用于在汽车碰撞过程中迅速充气成柔性封袋状，从而防止车辆使用者撞击到内部物体，例如方向盘或者窗户。现代汽车可包括位于乘客座椅位置的不同侧方和前方区域的多个安全气囊，传感器可以根据碰撞的类型和严重程度、在碰撞区域以可变比率使用一个或多个安全气囊。驾驶员和乘客的前方安全气囊通常由未涂层织物制成，而侧面安全气囊和侧面帘式安全气囊由对于侧面撞击具有较低的透气性的涂层织物制成。
[0003]随着计算机技术的出现，使用计算机辅助工程分析(例如，有限元分析(FEA))来设计安全气囊。膜有限元已经被用于表示安全气囊。这种技术用于模拟由未涂层织物制成的安全气囊，但对于涂层织物却不能很好地起作用。原因是膜单元不具有涂层织物所提供的弯曲刚度或抗弯能力。因此，当使用膜单元时，被模拟的安全气囊具有较高的可折叠趋向。
[0004]在现有的方法中，使用在弯曲度方面进行了修改的常规壳有限元，或者针对每个膜单元增加薄弱的壳单元，以获得涂层织物的附加抗弯能力。这些现有技术的方法都不令人满意，因为需要大量的计算时间(例如，膜单元模型的计算成本量加倍)，从而拖延了设计过程,且增加了成本。
[0005]因此，期望有用于数字模拟由涂层织物材料制成的安全气囊的结构行为的更有效方法和系统。
【发明内容】
[0006]本发明公开了一种用于数字模拟由涂层织物材料制成的安全气囊的结构行为的系统、方法和软件产品。根据本发明的一方面，专用的有限元被配置用于模拟涂层织物材料的结构行为。该专用的有限元包括一膜单元和一对从单元。膜单元单独可表示未涂层织物材料。从单元被动态配置以提供涂层织物材料的附加抗弯能力。在获得安全气囊的模拟结构行为的时间推进模拟的每个求解周期，从单元的节点位置依据对应的平均节点法向矢量、涂层织物材料的织物厚度和涂层厚度进行更新。特定节点的平均节点法向矢量是与这个特定节点相连的那些膜单元的单元法向矢量的平均值。从单元包含有与对应的膜单元相同数量的节点。在沿着平均法向矢量方向的膜单元的对应节点的两侧，各节点位置被偏移一段距离。使用更新后的节点位置，可以通过传统的有限元途径/方法获得从单元的应变和应力。接下来获得的应变和应力被转换为对应膜单元的内部节点力，以得到附加的抗弯能力。[0007]换句话说，本发明使用户(例如，设计和/或分析安全气囊的性能的科学家和工程师)能够使用传统的建模方法(也就是，使用膜单元来表示安全气囊)。根据本发明的另一方面，对膜单元增加了附加的抗弯能力，但无需要求额外的弯曲自由度(其是现有技术所必需的)。
[0008]通过以下结合附图对【具体实施方式】的详细描述，本发明的其他目的、特征和优点将会变得显而易见。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]参照以下的描述、后附的权利要求和附图，将会更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，其中:
[0010]图1是根据本发明的实施例的用于数字模拟由涂层织物材料制成的安全气囊的结构行为的示范性方法的流程图；
[0011]图2A示出了根据本发明的实施例的膜单元的两个示范形状；
[0012]图2B示出了图2A的膜单元的横截面轮廓；
[0013]图3是根据本发明的实施例的示范性的专用单元的横截面轮廓的示意图，所述专用单元包括膜单元和动态配置的一对从单元；
[0014]图4是根据本发明的一个实施例的与特定节点相连的示范性多个膜单元的示意图；
[0015]图5A和5B是根据本发明的实施例的示范性的专用单元的初始和变形后的横截面轮廓的示意图；
[0016]图6A是根据本发明的实施例的包括初始配置的专用单元的示范性有限元模型的三维示意图；
[0017]图6B是图6A的有限元模型在变形配置时的示意图；
[0018]图7是示范性的计算机的主要组件的功能框图，本发明的实施例可在该计算机中实施。
【具体实施方式】
[0019]图1是根据本发明的实施例的用于数字模拟由涂层织物材料制成的安全气囊的结构行为的示范性方法100的流程图。最好结合之前的附图理解方法100，该方法100在软件中实施。
[0020]方法100开始于步骤102，在计算机系统(例如图7的计算机700)中接收由涂层织物材料制成的安全气囊的计算机模型(例如，有限元分析模型)和涂层织物材料的材料特性。涂层织物材料的材料特性包括但不限于织物厚度和涂层厚度、弹性模量和强度(例如，屈服应力)。
[0021]所述计算机模型包括表示安全气囊的至少多个膜有限元(例如，图2A所示的四边形单元202、三角形单元204等)。膜单元仅包含有平移自由度，没有任何抗弯能力，因此不足以表示涂层织物材料的真实结构行为。图2B示出了示范性膜单元210的横截面轮廓。膜单元的厚度(T)212对应于织物厚度。需要注意的是，膜单元210的节点214位于厚度方向的中间高度。[0022]根据本发明的一个实施例，为了给每个膜单元302提供附加的抗弯能力，增加一对动态配置的从单元304，以形成用于数字模拟涂层织物材料的结构行为的专用单元300(图3示出)。膜单元302的厚度(T) 312是织物厚度，从单元的厚度(t) 314是涂层厚度。
[0023]图5A和5B分别示出了包含两个专用单元的有限元模型的初始配置和变形配置的截面轮廓。每个专用单元包括膜单元502和一对从单元504a和504b,图5A示出了初始的未变形配置。当如图5B所示，有限元模型弯曲时，第一从单元504a压缩，而第二从单元504b伸展，从而存储能量并阻止这个运动(也就是，给膜单元502增加抗弯能力)。
[0024]在步骤104中，在多个求解周期执行时间推进模拟，以获得安全气囊的结构行为(例如，使安全气囊充气)。每个求解周期表示时间推进模拟的特定时间。所接收的有限元模型在计算机系统700中被使用，计算机系统700中安装有有限元分析应用模块(例如，应用模块706)。
[0025]接下来在步骤106中，在每个求解周期，通过更新从单元的节点位置或者坐标来得到位于每个膜单元的两侧的一对从单元。从单元被配置具有对应膜单元的相同数量的节点。各节点位置被沿着节点的平均节点法向矢量(例如，图6A的η” n2, nm)定义的方向、从膜单元的对应节点偏移一段距离。换句话说，从单元604a-b位于膜单元602的相对两侧。图6A示出了具有三个专用单元的示范有限元模型。需要注意的是，从单元604a-b的各节点(例如，X11和x12)从膜单元602的对应节点(X1)偏移相同的距离。图6B示出了图6A的有限元模型的变形配置。
[0026]依据涂层织物材料的材料特性计算该偏移距离为织物和涂层厚度的一半。以下公式/等式用于确定从单元的节点位置(Xij)或者坐标:
[0027]Xij=Xi+(-1Vni (t+T)/2, j=l, 2 且 i=l, m,
[0028]其中:
[0029]Xi表示所述每个膜单元的节点坐标；
[0030]m表示所述有限元模型中的节点的总数；
[0031]Iii表示平均节点法向矢量；
[0032]T表示织物厚度；
[0033]t表不涂层厚度；
[0034]j表示从单元中的一个(j=l表示第一从单元；j=2表示第二从单元)。
[0035]需要注意的是，两个从单元的节点位置位于膜单元的对应节点的相对两侧。
[0036]通过将与特定节点相连的那些膜单元的单元法向矢量加以平均，来定义该特定节点的平均节点法向矢量。例如，如图4所示，膜单元401-404连接到节点410。通过将膜单元401-404的四个法向矢量加以平均，来计算节点410处的平均节点法向矢量。
[0037]在已经确定了从单元的节点位置后，通过对内力进行转换，获得膜单元的附加抗弯能力，该内力从经过更新的节点位置/坐标的从单元的应力和应变计算得到。这可以使用现有技术来完成，例如有限元理论。
[0038]最后，方法100执行至判断步骤110，确定时间推进的模拟是否已经结束。例如，检查预定的结束条件。如果没有达到结束条件，方法100沿“否”分支回到步骤106，继续另一个求解周期的时间推进模拟。否则，方法100结束。一个示范性的预定结束条件是汽车碰撞事件的总模拟时间例如100ms。[0039]根据一方面，本发明涉及一种或多种能够执行在此描述的功能的计算机系统。计算机系统700的例子在图7中示出。计算机系统700包括一个或多个处理器，例如处理器704。处理器704连接到计算机系统内部通信总线702。关于该示范性的计算机系统，有各种软件实现的描述。在读完这一描述后，相关【技术领域】的人员将会明白如何使用其它计算机系统和/或计算机架构来实施本发明。
[0040]计算机系统700还包括主存储器708，优选随机存取存储器(RAM)，还可包括辅助存储器710。辅助存储器710包括例如一个或多个硬盘驱动器712和/或一个或多个可移除存储驱动器714，它们代表软磁盘机、磁带驱动器、光盘驱动器等。可移除的存储驱动器714用已知的方式从可移除存储单元718中读取和/或向可移除存储单元718中写入。可移除存储单元718代表可以由可移除存储驱动器714读取和写入的软盘、磁带、光盘等。可以理解，可移除存储单元718包括其上存储有计算机软件和/或数据的计算机可读媒介。
[0041]在可选实施例中，辅助存储器710可包括其它类似的机制，允许计算机程序或者其它指令被装载到计算机系统700。这样的机制包括例如可移动存储单元722和接口 720。这样的例子可包括程序盒式存储器和盒式存储器接口(例如，视频游戏设备中的那些)、可移动存储芯片(例如可擦除的可编程只读存储器(EPROM))、通用串行总线(USB)闪存、或者PR0M)以及相关的插槽、以及其它可移动存储单元722和允许软件和数据从可移动存储单元722传递到计算机系统700的接口 720。通常，计算机系统700由操作系统(OS)软件控制和管理，操作系统执行例如进程调度、存储器管理、网络连接和I/O服务。
[0042]可能还设有连接到总线702的通信接口 724。通信接口 724允许软件和数据在计算机系统700和外部设备之间传递。通信接口 724的例子包括调制解调器、网络接口(例如以太网卡)、通信端口、个人计算机存储卡国际协会(PCMCIA)插槽和卡等等。计算机700基于一组特定的规则(也就是，协议)通过数据网络与其它计算设备通信。通用协议的其中一种是在互联网中通用的TCP/IP (传输控制协议/互联网协议)。通常，通信接口 724将数据文件组合处理成较小的数据包以通过数据网络传输，或将接收到的数据包重新组合成原始的数据文件。此外，通信接口 724处理每个数据包的地址部分以使其到达正确的目的地，或者中途截取发往计算机700的数据包。在这份文件中，术语“计算机程序媒介”和“计算机可用媒介”都用来指代媒介，例如可移动存储驱动器714和/或设置在硬盘驱动器712中的硬盘。这些计算机程序产品是用于将软件提供给计算机系统700的手段。本发明涉及这样的计算机程序产品。
[0043]计算机系统700还包括输入/输出(I/O)接口 730，它使得计算机系统700能够接入显示器、键盘、鼠标、打印机、扫描器、绘图机、以及类似设备。
[0044]计算机程序(也被称为计算机控制逻辑)作为应用模块706存储在主存储器708和/或辅助存储器710中。也可通过通信接口 724接收计算机程序。这样的计算机程序被执行时，使得计算机系统700执行如在此所讨论的本发明的特征。特别地，当执行该计算机程序时，使得处理器704执行本发明的特征。因此，这样的计算机程序代表计算机系统700的控制器。
[0045]在本发明采用软件实现的实施例中，该软件可存储在计算机程序产品中，并可使用可移动存储驱动器714、硬盘驱动器712、或者通信接口 724加载到计算机系统700中。应用模块706被处理器704执行时，使得处理器704执行如在此所述的本发明的功能。[0046]主存储器708可被加载有一个或多个应用模块706，所述应用模块706可被一个或多个处理器704执行以实现期望的任务，所述处理器可具有或不具有通过I/O接口 730输入的用户输入。在运行中，当至少一个处理器704执行一个应用模块706时，结果被计算并存储在辅助存储器710 (也就是，硬盘驱动器712)中。有限元分析的状态以与计算机连接的显示器上的文字或者图形表示的方式通过I/O接口报告给用户。
[0047]虽然参照特定的实施例对本发明进行了描述，但是这些实施例仅仅是解释性的，并不用于限制本发明。本【技术领域】的人员可得到暗示，对具体公开的示范性实施例做出各种修改和改变。例如，虽然图6所示的示范性模型仅包括三个专用单元但是本发明对用于表示安全气囊的计算机模型中的单元数量并没有设任何限制。此外，虽然为了简洁解释和说明，没有例子图示为封袋状或者封闭的空间，但是表示安全气囊的计算机模型应该是封闭的空间或者是封袋状。此外，虽然用于计算节点法向矢量的例子有四个膜单元，但是本发明允许其他数量的单元。总之，本发明的范围不限于在此公开的特定示范性实施例，对本【技术领域】人员来说暗含的所有修改都将被包括在本申请的精神和范围以及所附的权利要求的范围内。
【权利要求】
1.一种用于数字模拟由涂层织物材料制成的安全气囊的结构行为的方法，其特征在于，包括: 在其上安装有有限元分析应用模块的计算机系统中，接收包含表示由涂层织物材料制成的安全气囊的多个膜单元的有限元分析模型，并接收所述涂层织物材料的涂层厚度；通过使用所述计算机系统中的有限元模型执行时间推进模拟，获得所述安全气囊的模拟结构行为，所述时间推进模拟包括多个求解周期，每个求解周期表示时间推进模拟的特定时间；以及 在所述每个求解周期，通过更新从单元的节点位置，获得位于每个膜单元的两侧的一对从单元，所述从单元具有所述每个膜单元的相同数量的节点，各节点位置被沿着平均节点法向矢量定义的方向、从所述膜单元的对应节点偏移一段距离，所述距离依据织物厚度和涂层厚度计算得到，特定节点的所述平均节点法向矢量通过将与所述特定节点相连的那些膜单元的单元法向矢量加以平均来计算得到，然后通过对内力进行转换，获得所述每个膜单元的附加抗弯能力，所述内力从经过更新的节点位置的从单元的应力和应变计算得到。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述每个膜单元不具有抗弯能力。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述每个膜单元包括二维三角形单元。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述每个膜单元包括二维四边形单元。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个所述从单元具有所述每个膜单元的相同形状。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括当满足预定的终止条件时，结束所述时间推进的模拟。`
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用以下公式计算所述一对从单元的所述节点位置:
Xij=Xi+(-1) jIii (t+T)/2，j=l, 2 且 i=l，m, 其中: Xi表示所述每个膜单元的节点坐标； m表示所述有限元模型中的节点的总数； Iii表示平均节点法向矢量； T表示织物厚度； t表不涂层厚度； j表示从单元中的一个。
8.一种用于数字模拟由涂层织物材料制成的安全气囊的结构行为的系统，其特征在于，包括: 主存储器，用于存储有限元分析应用模块的计算机可读代码； 与所述主处理器相连的至少一个处理器，所述至少一个处理器执行所述主存储器中的计算机可读代码，使得所述有限元分析应用模块执行以下方法中的操作: 通过使用计算机系统中的有限元模型执行时间推进模拟，获得所述安全气囊的模拟结构行为，所述时间推进模拟包括多个求解周期，每个求解周期表示时间推进模拟的特定时间；以及在所述每个求解周期，通过更新从单元的节点位置，获得位于每个膜单元的两侧的一对从单元，所述从单元具有所述每个膜单元的相同数量的节点，各节点位置被沿着平均节点法向矢量定义的方向、从所述膜单元的对应节点偏移一段距离，所述距离依据织物厚度和涂层厚度计算得到，特定节点的所述平均节点法向矢量通过将与所述特定节点相连的那些膜单元的单元法向矢量加以平均来计算得到，然后通过对内力进行转换，获得所述每个膜单元的附加抗弯能力，所述内力从经过更新的节点位置的从单元的应力和应变计算得到。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述每个膜单元不具有抗弯能力。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，还包括当满足预定的终止条件时，结束所述时间推进的模拟。
11.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，使用以下公式计算所述一对从单元的所述节点位置:
Xij=Xi+(-1) jIii (t+T)/2，j=l, 2 且 i=l，m, 其中: Xi表示所述每个膜单元的节点坐标； m表示所述有限元模型中的节点的总数； Iii表示平均节点法向矢量； T表示织物厚度； t表不涂层厚度； j表示从单元中的一个。
12.一种包含有指令的非易`失计算机可读存储媒介，当在计算机系统中执行时，用于通过以下方法数字模拟由涂层织物材料制成的安全气囊的结构行为: 在其上安装有有限元分析应用模块的计算机系统中，接收包含表示由涂层织物材料制成的安全气囊的多个膜单元的有限元分析模型，并接收所述涂层织物材料的涂层厚度；通过使用所述计算机系统中的有限元模型执行时间推进模拟，获得所述安全气囊的模拟结构行为，所述时间推进模拟包括多个求解周期，每个求解周期表示时间推进模拟的特定时间；以及 在所述每个求解周期，通过更新从单元的节点位置，获得位于每个膜单元的两侧的一对从单元，所述从单元具有所述每个膜单元的相同数量的节点，各节点位置被沿着平均节点法向矢量定义的方向、从所述膜单元的对应节点偏移一段距离，所述距离依据织物厚度和涂层厚度计算得到，特定节点的所述平均节点法向矢量通过将与所述特定节点相连的那些膜单元的单元法向矢量加以平均来计算得到，然后通过对内力进行转换，获得所述每个膜单元的附加抗弯能力，所述内力从经过更新的节点位置的从单元的应力和应变计算得到。
13.根据权利要求12所述的非易失计算机可读存储媒介，其特征在于，所述每个膜单元不具有抗弯能力。
14.根据权利要求12所述的非易失计算机可读存储媒介，其特征在于，还包括当满足预定的终止条件时，结束所述时间推进的模拟。
15.根据权利要求12所述的非易失计算机可读存储媒介，其特征在于，使用以下公式计算所述从单元对的所述节点位置:
Xij=Xi+(-1) jIIi (t+T)/2，j=l, 2 且 i=l，m
其中: Xi表示所述每个膜单元的节点坐标； m表示所述有限元模型中的节点的总数； Iii表示平均节点法向矢量； T表示织物厚度； t表不涂层厚度； j表 示从单元中的一个。
【文档编号】G06F17/50GK103886123SQ201310561338
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2013年11月12日 优先权日:2012年12月20日
【发明者】托马斯·伯维尔 申请人:利弗莫尔软件技术公司